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-,Dfnraftmaschinen-KreisprozeR mit Rückführung der Abwärme mittels
eines mehrstufigen Wärmepumpenprozesses, insbesondere tür Dampfkraftwerke (Heiß-
und Kaltdampf).
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Vorliegende Erfindung betrifft einen Dampfkraftmaschinen-Kreisprozeß
mit einem zwischen dem Kondensator und dem Kondensat-Hochdruckkreis des Dampfkraftprozesses
betriebenen mehrstufigen Wärmepumpe, zwecks regenerativer RUckfUhrung der Kondensationswärme
(= bisherige Abwärme) in den Dampfkraftmaschinen-Kreisprozeß, insbesondere fUr Heiß-
und Kaltdampfkraftwerke mit fossiler oder nuklearer Kesselbeheizung oder mit geothermischer
und/oder Umgebungswärme beheiztem Verdampfer (bei Kaltdampfbetrieb).
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Der vorgeschlagene Dampfkraftmaschinen-Kreisprozeß besteht aus dem
in Dampfkraftwerken Ublichen und bekanntem "Clausius-Rankine-Prozeßl' (Kondensationsprozeß)
und einem bisher noch nicht bekannten mehrstufigen, regenerativen Wärmepumpenprozeß,
der aufgrund seiner Betriebsweise innerhalb des Naßdampfgebietes (in der Nähe der
oberen Grenzkurve im T,s-Diagramm) arbeitssparend, d. h. energiesparend betrieben
werden kann. Die mechanische Antriebsleistung kann dabei unmittelbar aus der gewonnenen
mechanischen Turbinenleistung abgezweigt werden. Man spart so einen separaten Antriebsmotor
fUr die Wärmepumpe. Die Regelung der Wärmepumpe hitsichtlich ihrer Temperatur und
Leistung kann Uber ein Regulierventil (RV) oder über eine regelbare Flüssigkeitsturbine
vorgenommen werden.
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Da nach dem angewendeten Arbeitsprinzip die Turbinen-Abwärme und die
aufgewendete mechanische Arbeit für die Wärmepumpe dauernd der SpeiseflUssigkeit
Regenerativ zugeführt wird, ist dem Kessel bezw. Verdampfer nur der von der Wärmekraftanlage
nach außen abgeführte mechanische Arbeitsbetrag in Form höher temperierter Wärme
zu ersetzen, d. h. die der Anlage von außen zugefUhrte Wärme Qzu ist gleich der
von der Anlage nach augen abgefUhrten mechanischen Arbeit Wab, oder: Wab ist das
mechanische Wärmeäquivalent von Qzu. Daraus ergibt sich der theoretische W:irmewirkungsgrad
fUr die Anlage zu 100 % : Wab Mth,Anlage Qzu
Gemäß diesem Arbettsprinzip
ist also eine v @-wandlung von Wärme in mechanische Arbeit möglich, was mit sen
@is@erigen W@rmekraftmaschinenprozessen nicht möglich ist wegen der notwen@igen
W@rmeabfuhr nach außerhalb der Anlage. Der vorgeschlagene Dampfkraft-Kreisprozeß
Ubertrifft somit auch den bekannten Carnot-?rozeß, der von allen bisherigen Kreisprozessen
zwar den größt möglichen Wirkungsgrad au weist, aber dennoch bei den in der Praxis
Ublichen thermodynamischen Wärmegefällen, insbesondere bei kleinen Temperaturen,
weit unter eins liegen kann : To - Tu n@c = < 1, To = obere, Tu = untere Temperatur
T@ 0 an der Expansionsmaschine bezw. Turbine. Erst bei To = # würde n@c = 1 werden.
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Der erfindungsgemäße Dampfkraftprozeß ist infolge der Abwärmerückführung
vollständig unabhängig vom sogenannten "unteren Wärmebehälter der Umgebung", ohne
den die bisherigen Wärmekreisprozesse nicht betrieben werden können wegen der notwendigen
Aufnahme der Turbinen-Abwärme.
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Da der vorgeschlagene Dampfkraftprozeß wegen seiner Abwärmefreiheit
an das Temperaturniveau seiner Umgebung nicht gebunden ist und sein Wärmewirkungsgrad
bei allen vorhandenen thermodynamischen Wärmegefällen immer gleichgroß und eins
ist (th= 1), läßt er sich forteilhaft mit niedertemperierter Wärme, z. B. mit Kernspaltwärme
), geotherm. Wärme oder mit "in sich ausgeglichener Wärme" (Wärmequellen ohne Temperaturdifferenz
gegenüber einem wärmeaufnehmendem Bezugsystem) betreiben, wie beispielsweise mit
Umgebungswärme (Wasser-, Luft- oder Erdbodenwärme).
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Dazu muß ein entsprechend tiefsiedender Arbeitsstoff verwendet werden,
dessen Siedetemperatur noch bei relevantem Betriebsdruck angemessen weit unterhalb
dem wärmeaufzunehmendem Temperaturniveau liegt. Der Wärmewirkungsgrad ist auch bei
dieser Betriebsweise als "Kaltdampfkraftmaschine" 100 %, wie schon für den Heißdampfkraftprozeß
oben angegeben.
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Die Höhe der Betriebstemperatur wirkt sich dabei lediglich auf die
Größe +) Da die heutigen Kernkraftwerke bei relativ niederen Temperaturen betrieben
sind, ergäbe sich bei Anwendung des vorgeschlagenen Wärme kraft prozesses eine weitaus
bessere Nutzung der Kernspaltwärme und damit eine entsprechende Streckung der Kernspaltstoffe.
der
abgebbaren Arbeit oder Leistung der Wärmekraftanlage aus, d. h. bei hohem thermodynamischen
Wärmegefälle ist sie entsprechend höher als bei niederem, was auch für die bisherigen
Wärmekraftprozesse in dieser Hinsicht zutrifft.
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Das Zurückführen der Kondensationswärme erfordert für die Kompressoren
der Wärmepumpe mechanische Arbeit. Diese ist unmittelbar proportional zu der Höhe
des zu Uberwindenden Temperaturgefälles, das man für die Kondensation des Abdampfes
als auch zur Ubertragung auf das Kondensat am Kondensator der Wärmepumpe benötigt
bezw. zuläßt. (Man kann die zu übertragende Wärmemenge nämlich beliebig aufteilen
auf die Arbeit und die Wärmetauscher-Fläche ! Denn es ist die Ubertragbare Wärmemenge:
Q = a . A . (tl - t2); (a = Wärmeübergangszahl, A = Fläche, tl - t dt = Temperaturgefälle
an der Wärmetauscherfläche A gegenüber dem Arbeitsstoff.) Läßt man beispielsweise
bei einem thermodynamischen Wärmegefälle von = = 5000C eines Heißdampfkraftprozesses
fUr die Wärmepumpe ein zu überwindendes Wärmegefälle von insgesamt #Twp = 1000C
zu, so benötigt man zum Antrieb der Wärme pumpe etwa 20 % der an der Kraftmaschine
(Turbine) gewonnenen mechanischen Arbeit. Vermindert man das Wärmegefälle an der
Wärmepumpe jedoch auf die Hälfte, also auf aTSp= 50°C, so benötigt man auch nur
die Hälfte, also 10 % der Turbinenarbeit für den Antrieb der Wärmepumpe. Die restliche
Turbinenarbeit von 80 % bezw. 90 % kann somit von der Anlage nutzbringend abgeführt
werden.
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Mit der im vorgegebenen Beispiel reduzierten Leistungseinbuse von
etwa 10 % bezw. 20 % können bei Heißdampfkraftwerken üblicher Leistungen etwa 50
% Primärwärme (die auf den Kessel bei hoher Temperatur erzeugte Verdampfungswärme
!) eingespart werden. Mit der Einsparung dieser Primärwärme reduziert sich ebenfalls
der Schadstoffausstoß eines derartigen Kohle- oder Kernkraftwerkes um etwa denselben
Betrag, also um etwa SO 'S.
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Da sich nach uem vorgegebenen Beispiel die Ausgangsleistung des Kraftwerks
um ca. 10...20 % vermindert, müssen zur Erzeugung gleicher Ausgangsleistungen gegenüber
bisherigen Kraftwerkstypen entsprechend leistungsstärkere Maschinen (Dampfturbinen,
Pumpen, usw.) von etwa 30...50 ,' mehr als bisher investiert werden. Dieser Mehraufwand
kann jedoch zum Teil durch Einsparung der bisher notwendigen KUhltUrme abgefangen
werden;
der restliche Maschinen-Mehraufwand ließe sich jedoch in relativ kurzer Betriebszeit
durch Einsparung der relativ teueren Primärenergie (Kohle- oder Kernbrennstoffe)
amortisieren.
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Bei Kaltdampfkraftwerken, die nach dem erfindungsgemäßen Prinzip arbeiten,
wird wegen dem relativ kleinen thermodynamischen Wärmegefälle die aufzuwendende
Rückkopplungsarbeit für die Wärmepumpe relativ groß, so daß die ffektiv nutzbare
Arbeit relativ klein und der Maschinenaufwand entsprechend groß wird. Da hierbei
jedoch Wnrmeenergie unmittelbar aus der Umgebung (Wasser-, Luft- oder Erdbodenwärme)
umsonst und dauernd zur Verfügung steht, sowie ohne Schadstoffemission genutzt werden
kann, stellt der höhere Maschinenaufwand kein entscheidendes Hindernis dar zur Realisierung
eines derartigen regenerativen Kaltdampkraftwerkes.
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Als ergiebigste Wärmequelle stände dabei die Wärme des Wassers (Meer-,
See- oder Flußwasser) zur dauernden Verfügung, das auch in extrem kalten Jahreszeiten
(bei Lufttemperaturen <<0°C) bei relativ hoher und nahezu konstanter oberer
Temperatur (bei 4°C °C#0°C + 80 kcal/kg Latentwärme bei 0 C) im großen Maßstab genutzt
werden könnte (Kaltdampfkraftwerke). So ließen sich beispielsweise aus 1 m5 Wasser
von 20 0C bis zur völligen Eisbildung, also einschließlich mit Nutzung der Latentwärme
bei O°C, theoretisch etwa 116 kWh mechanische Arbeit, oder über elektr. Generatoren,
praktisch noch etwa 100 kWh elektrische Arbeit gewinnen+). Aus 1 km3 Wasser folglich
1011 kWh elektrische Arbeit Da das Wasser bei 40C die größte Dichte hat, also am
schwersten ist, ließe sich bei Verlegung des Verdampfers in die tiefsten Wasserschichten
auch die Latentwärme des Wassers nutzen, welches sich über dem Verdampfer befindet.
So könnte man in kalten Jahreszeiten oder in geographisch kalten Gebieten bei entsprechenden
Wasserreserven, z. B. aus einem natürlichen oder künstlich angelegten See, ausreichend
mechanische Arbeit bezw. elektrieche Arbeit oder Energie gewinnen.
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+) Die gewinnbare mechanische Arbeit ergibt sich zu : Wmech. = ####
####### # ########## = ### ######## = 116.3 kWh/m3 = 100 kWh/m3 elektr. Arbeit.
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Die mit der Erfindung erzielbaren wesentlichsten Vorteile sind: a)
Bei Wärmekraftwerken (Fossil- und Kernkraftwerken) Einsparung von Primärenergie
in der Größenordnung der derzeitigen Kondensationswärmeverluste (etwa 50 % der Primärenergie)
und in der gleichen Größenordnung reduzierte Schadstoffabgabe bei gleicher Kraftwerksausgangsleistung;
b) Betrieb der Wärmekraftwerke unabhängig von irgendwelchen Kühlsystemen (z. B.
von KUhltUrmen, Flußlaufen, Seen usw.), da keine Wärme (Kondensations- oder Verdichtungswärme)
an die Umwelt abgegeben werden muß. Dadurch freizügigere Standortwahl als bisher,
insbesondere für Kernkraftwerke da diese nunmehr weder an Kühlwasser noch an den
Lagerort des Primärenergieträgers gebunden sind; c) Bereitstellung einer neuen,
regenerativen Energiequelle aus Umweltwärme, insbesondere aus Wasserwärme, durch
Bau von Kaltdampfkraftwerken bei völlig umweltfreundlicher Betriebsweise; d) Erzeugung
von Elektrizität und Wasserstoff mit der nach c) ausreichend erzeugbaren mechanischen
Arbeit bei kontinuierlicher - und damit wirtschaftlicher - Auslastung der Kaltdampfkraftwerke,
und damit vollständige Lösung des heutigen Energieproblems "ohne Umweltbelastung"
(einführung einer sogenannten "Elektrizitäts- und Wasserstoffwirtschaft" durch Bau
von vielen Kaltdampfkraftwerken).
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Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung (für Heiß- und Kaltdampf)
sind in den Zeichnungen, Abb. 1...15, dargestellt und werden im folgenden näher
beschrieben. Es zeigen Abb. 1 das Temperatur-Entropie-Diagramm (T,s-Diagramm) für
den Wärmekraftmaschinen-Kreisprozeß für Heißdampfbetrieb, mit einem separat eingezeichneten
2-stufigen Wärmepumpenprozeß zwecks Rückführung der Abwärme; Abb. 2 das zu Abb.
1 gehörende Prinzip-Schaltbild der Wärmekraftanlage; Abb. 3 ein zu Abb.l u. 2 gehörendes
(vereinfachtes) Energieflußbild der Anlage;
Abb.4 das Prinzipschaltbild
der Kaltdampfkraftanlage mit Zwischenüberhitzung und rnergiezufuhr aus einer niedertemperierten
Warmequelle, z. B. aus normaler Wasser- oder Luftwärme; Abb.5 das zu Abb. 4 gehörende
T,s-Diagramm mit separat eingezeichne-2-stufigen Wärmepumpenprozeß; Abb.6 ein in
Schnittdarstellung gezeigtes Prinzipbild einer möglich Bauausführung, gemäß der
in Abb. 4 gezeigten Kaltdampfkraftan bei Nutzung von Meer-, See- oder Flußwasser
als Energiequelle.
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(Die bei Abb. 6 eingezeichnete Eisdecke soll andeuten, daß au ein
Betrieb im Winter, bei kalten Lufttemperaturen wesentlie@ unter 0°C, möglich ist
und der nutzbare Wasserwärme-Anteil dat noch bei relativ hoher Temperatur im großen
Maßstab zur VerEz gung steht.); Abb.7 das Energieflußbild zu Abb. 1...6 mit Erl-iuterungen
der im Energieflußbild angegebenen Bezeichnungen sowie mit mathematischen Ableitungen
zur Berechnung des theoretischen Wärmewirkun grades für. die Anlage sowie für die
Expansionsmaschine bezw. F die Turbine; Abb.8 ein Energieflußbild für die bisherigen
Wärmekraftmaschinen-Kreisprozesse mit Angabe des Wärmewirkungsgrades für die Anlag
und die Turbine (Darstellung zwecks Vergleich mit dem neuen Energieflußbild gemäß
Abb. 9); Abb.9 das Energieflußbild zu Abb. 1...6 mit getrennter Angabe des Wärmewirkungsgrades
sowohl für die Anlage als auch für die Turbine (zum Vergleich mit Abb. 8); Abb.10
Darstellung des Wärmeverlaufs für die derzeitigen Wirmekraftprozesse bei Abgabe
der Abwärme an die Umgebung (zugehörig zu Energieflußbild Abb. 8); Abb.11 Darstellung
des Wärmeverlaufs für den hochtemperierten Wärme kraft-Kreisprozeß mit RückfUhrung
der Abwärme (zugehörig zu Energieflußbild Abb. 9);
Abb.12 Darstellung
des Wirmeverlaufs für einen niedertemperierten 'Nirmekraft-Kreisprozeß , bei dem
neben der niedertemperierten Warme (geothermische-oder Abwärme) noch zusätzlich
Wärme unterhalb dem Umgebungstemperaturniveau genutzt wird; Abb.13 Darstellung des
Warmeverlaufs- und Bereichs, bei dem ausschließlich Wärme unterhalb dem Umgebungstemperaturniveau
genutzt wird, z. B. Wasser- oder Luftwärme; Abb.14 ein 3-stufiger Wärmepumpen-Kreisprozeß
mit Zwischenkühlung bei stufenweiser isothermer Wärmeabgabe an einen Warmwasser-Heizkreis,
geeignet fUr tiefe Wärmequellentemperaturen um etwa 50C; Abb.15 das zu Abb. 14 gehörende
T,s-Diagramm mit Einzeichnung der Arbeitsersparnis zufolge des zur oberen Grenzkurve
angenähert äquidistanten Verlaufs der Kompressionslinie. (Hier ist das Arbeitsprinzip
der mehrstufigen, energiesparenden Wärmepumpe gezeigt, mit dem die in Abb. 2 und
4 verwendeten Wärmepumpenprozesse durchgeführt sind.) Beschreibung Gemäß dem T,s-Diaramm,
Abb. 1, umschließt der hochtemperierte Wärmekraft-Kreisprozeß die Wärmefläche l
,1 ' ,2,3,4,5,6,7,8,1. Die einzelnen Zustandspunkte sind im Schaltbild, Abb. 2,
an entsprechender Stelle eingetragen. Der Wärmepumpenprozeß, der separat geführt
ist, d. h. unabhängig vom Wärmekraftmaschinen-Kreisprozeß arbeitet, umschließt die
Wärmefläche (1),(2),(3),(4),(5),(6),(1) unter der Voraussetzung, daß eine Flüssigkeitsturbine
zur Entspannung des Arbeitsstoffs verwendet ist.
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Hierbei wird mechanische Arbeit zurückgewonnen. Fldssigkeitsturbinen
sind jedoch nur bei sehr großen Anlagen angebracht. Bei kleineren Anlagen wird ein
Regelventil (RV) verwendet, über das die Entspannung des Arbeitsstoffs, bei h =
konstant (h = Enthalpi = Wärmeinhalt), vorgenommen wird. In diesem Betriebsfalle
wird die oben angegebene Warmefläche mit dem Zustandspunkt (6') abgeschlossen.
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Die tatsächliche (effektive) Nutzwärme azu = QT - (q0 + 1Nwpl) ergibt
sich aus der Differenz der beiden Wärme flächen, und daraus die tatsächliche (effektive)
Nutzarbeit Wab = WT - Wwp . Die effektive Nutzwärme Qzu entspricht somit der effektiven
Nutzarbeit Wabg die Effektiv nach
außen abgeführt und genutzt werden
kann (QT = Turbinenwärme, qO = Turbinenabwärme, WT = Turbinenarbeit, WWP = Wärmepumpenarbeit).
Die beides Energiebeträge Wab und Qzu sind von gleicher Größe, d. h. der nach außen
abgeführte Arbeitsbetrag Wab ist das mechanische Wärmeäquivalent der von außen zugeführten
Wärme Qzu # Qzu setzt sich seinerseits aus de von außen zugeführten Flüssigkeitswärme
qf, der Verdampfungswarme r sowie der Überhitzungswärme qu zusammen. Es ist also
Qzu = qf + r + Da Qzu und Wab ihrem Energiebetrage nach von gleicher Größe sind,ergibt
sich der sogenannte "thermische Anlagenwirkungsgrad" zu 100 , :1so von der Anlage
nach außen abgeführte Arbeit n@th,Anlage - der Anlage von außen zugeführte Wärme
WT = WWP Wab = = = 1 (Gl. 1) QT - (qo + |WWP|) Qzu Diese Gleichung (1) kann auch
an Hand der Abb. 3, ausführlicher aus Abb. 7 oder Abb. 9 abgelesen werden.
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Durch das ZurUckpumpen der Verdampfungswärme in Form von Flüssigkeitswärme
in den Arbeitskreis ist es also möglich, die der Anlage von außer zugeführte Wärme
vollständig in mechanische Arbeit überzuführen. Dies kann mit keinem bis heute bekannten
System oder Arbeitsprinzip laufend erreicht werden ! Mit den heute üblichen Wärmekraftprozessen
ist dies unmöglich, weil die Turbinenabwärme in jedem Falle nach außen, an die Umgebung,
abgeführt werden muß und somit zur Arbeitsgewinnung an der Turbine nichts mehr beitragen
kann; auch nichts in Form eines "anergetischen" Wärmeanteils, der für die Turbine
ebenso wichtig ist wie der "exergetische" Wärmeanteil.
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Der auf die Expansionsmaschinen (HD-Turbine und ND-Turbine, Abb. 2)
bezogene thermische Wirkungsgrad ist selbstverständlich auch hier < 1 da auch
Abwärme von ihnen abgegeben wird. Für die beiden Dampfturbinen T1 und T2 (Abb. 2)
ergibt er sich zu WT1,2 QT1,2 - q0 q0 n@th,Turbine = = = 1 - < 1 QT1,2 QT1,2
QT1,2 Diese Gleichung (2) kann unmittelbar aus dem zugehörigen @nergieflußbild,
Abb. 7 oder Abb. 9, abgelesen werden.
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Mit den Abbildungen 4...o ist ein nach dem gleichen Arbeitsprinzip
arbeitender Kaltdampf-Kraftmaschinen-Kreisprozeß angegeben, worin Abb.4 das Schaltbild,
Abb. 5 das T,s-Diagramm und Abb. 6 eine mögliche Bauausführung in Schnittdarstellung,
mit Nutzung von Wasserwärme (Meer-, See- oder Flußwasser) zeigt. Um die effektive
Wärmefläche - und damit die abgebbare Leistung - möglichst groß zu machen, ist eine
2-malige Uberhitzung vorgesehen. Für den Kraftmaschinen- und Wärmepumpenprozeß ist
ein sehr tiefsiedender Arbeitsstoff verwendet, der auch noch bei tiefer Verdampfungstemperatur
einen ausreichend hohen Betriebsdruck erreicht. Mit dem Kältemittel R14 (CF4) steht
ein geeigneter Arbeitsstoff zur Verfügung, mit dem auch auf dem Temperaturniveau
der Umgebung stehende Primärwärmequellen genutzt werden können. Hierzu einige Daten,
die mit dem Kaltemittel P14 erreicht werden können Siedepunkt SP. = -128,00C (bei
1,013 bar), Arbeitsdruck bei -400C ): P # 40 bar, Zwischendruck nach Wahl, z. B.
Pz = 20 bar, Uberhitzungstemperatur Tü # - 10°C...0°C, thermodynamisches Wärmegefälle
an der Expansionsmaschine: T m 100 0C.
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Da ein Kondensationsprozeß vorliegt, kann das gesamte Druckgefälle
(40 bar) an der Kondensationsturbine voll genutzt werden. Für den Wärmepumpenprozeß
werden bei den angegebenen Daten etwa 40 % der am Kraftmaschinenkreisprozeß freiwerdenden
mechanischen Arbeit zur Rückführung der Abwärme benötigt, so daß noch etwa 60 %
der an der Expansionsmaschine gewonnenen Arbeit als effektive Nutzarbeit nach außen
abgegeben werden können. Der thermische Anlagenwirkungsgrad ergibt sich hier ebenfalls
zu 100 % : Wab(60 %) n@th,Anlage = = 1 (Gl. 1.1) Qzu(60 %) Der thermische Anlagenwirkungsgrad
ist also auch hier unabhängig vom thermodynamischen Warmegefalle, das infolge der
Expansion und Arbeitsabgabe des druckgespannten Arbeitsdampfes an den Expansionsmaschinen
vorhanden bezw. erzeugt wird.
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+) Damit ist die Aufnahme der Primärwärme (Umgebungswärme) in den
Kreisprozeß sichergestellt, da ein Temperaturgefälle durch Herabsetzen des Siedepunktes
(-40°C, 40 bar) erreicht wurde. Die Wärme kann also t'bergab" fließen, d. h. die
Voraussetzung zur Aufnahme in den Arbeitskreis steht im Einklang mit den Naturgesetzen
bezw. mit dem zweiten iauptsatz der Wärmelehre.
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Um die Kälteleistung der Kaltdampfwärmepumpe durch unbeabsichttgtp
Wärmeaufnahme aus der Umgebung nicht unnötig zu vergrößern, mu!s (1ie außere Wärmeaufnahme
über die Wände des Kondensator der Kaltdamprkraftmaschine, seiner Zu- und Ableitungen
sowie der Expansionsmaschine durch eine entsprechende Wärmeisolation vermieden werden.
I,ei der Inbetriebnahme muß die gesamte Anlage zuvor "angeworfen" werden hi die
notwendigen tiefen Temperaturen erreicht sind und somit die Kaltdampfwärmepumpe
mit normaler Kälteleistung (die für die Kondensation des Abdampfes notwendig ist)
arbeitet. Die Kaltdampfwärmepumpe kann unmittelbar mit der Expansionsmaschine (Dampfturbine
oder Kolbendampfmaschine) gekuppelt werden; evtl. zur Herabsetzung der Drehzahl
über ein Getriebe.
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Die Eigenschaften des verwendeten Kaltgases R14 (CF4 = Tetrafluormeth@
sind: Farblos, geruchlos, ungiftig und unbrennbar. Trotzdem ist es notwendig, die
Anlage gegen Leckverluste zu sichern. Um die Kaltdampfwärmepumpe und die Kaltdampfkraftmaschine
gegen Austritt von Kaltgas absolut dicht zu halten, kann beispielsweise die F.in-
bezw. Auskopplun; der mechanischen Arbeit der ein elektromagnetisch erregtes Polrad
vorgenommen werden, dessen Gegen-Polrad auf der Antriebs- bezw. Abtrieb welle sitzt,
wobei der magnetische Kraftschluß der beiden Polräder über ein dünnwandiges, unmagnetisches
Zylindermantel-Gehäuse vorgenommen ist Mit Abb. 7 ist das zu den Abbildungen 1...6
zugehörige Energieflußbild gezeigt, worin die Bedeutungen der einzelnen Bezeichnungen
ebenfalls aufgeführt sind. Im Anschluß daran sind die Gleichungen für den theoretischen
Wärmewirkungsgrad sowohl für die Anlage insgesamt als auch individuell für die Expansionsmaschine
(Turbine) angegeben.
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Mit Abb. 8 ist ein Energieflußbild für die derzeit üblichen Dampfkraftmaschinen-Kreisprozesse
gezeigt, die ihre Abwärme an die Umgebung abführen müssen. Es dient zum Vergleich
des in Abb. 9 Hargestellten neuen rnergieflußbildes (das bereits mit Abb. 7 in ähnlicher
parstellungsweise gezeigt wurde). Bei Abb. 8 (derzeitiges Energieflußbild) ist besonders
darauf zu achten, daß der thermische Anlagen- und der thermische Turbinenwirkungsgrad
identisch sind (n@th,Anlage = n2th,Turbine), während in Abb. 9 (neues Energieflußbild
mit Rückführung der Abwärme) der thermische Wirkungsgrad für die Anlage und die
Turbine unterschiedlich sind. Es ist, wie bereits oben beschrieben, der thermische
Turbinenwirkungsgrad
WT QT - q0 n@th,Turbine = = = 1 - q0/QT = < 1 QT QT der thermische Anlagenwirkungsgrad
aber WT - WwP Wab @ @@ @@ n@th,Anlage = = = 1 @ QT - (q0 + |WWP|) Qzu Wie zu ersehen
ist, ist die von außen zugeführte Wärme in der Tat eine Differenzwärme und die nach
außen abgeführte Arbeit eine Differenzarbeit.
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Da beide Energiebeträge gleich groß sind, ergibt sich der Quotient
aus der abgegebenen Arbeit und der zugeführten Wärme (= theoretisch thermischer
Anlagenwirkungsgrad) eben zu 1 bezw. 100 %.
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Mit den Abbildungen 10.. .13 ist der Wärmeverlauf mit Aufteilung der
einzelnen Warmegefalle an Warmekraftmaschinenkreisprozessen gezeigt, wobei mit Abb.
1C der bisher übliche Warmeverlauf (mit Abwärme an die Umgebung) und mit Abb. 11...13
der neuartige Wärmeverlauf (mit Rückführung der Abwärme in den Kreisprozeß) dargestellt
ist. Die Abb. 11-13 zeigen verschiedene Temperaturbereiche, in denen der erfindungsgemäße
"Dampfkraftmaschinen-Kreisprozeß ohne Abwärme an die Umgebung" betrieben werden
kann. Hierin zeigt Abb. 11 den Wärmeverlauf bei Speisung aus einer hochtemperierten
Wärmequelle, Abb. 12 den Wärmeverlauf bei Speisung aus einer niedertemperierten
Wärmequelle (wobei gleichzeitig noch Wärme auf dem Umgebungstemperaturniveau genutzt
wird) und Abb. 13 den Warmeverlauf bei Speisung mit ausschließlich Umgebungswarme,
d. h. mit Wärme, die auf dem Umgebungstemperaturniveau steht, wie z. B. von Wasser-
oder Luftwärme.
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Mit Abb. 14 und 15 ist ein mehrstufiger (hier 3-stufiger) Wärmepumpenprozeß
gezeigt, wobei die Zwischenkühlung zwischen den einzelnen Kompressorstufen als "Nutzkühlung"
umfunktioniert ist, d. h. die Abwärme zwischen den einzelnen Stufen wird nutzbringend
einem Verbraucher zugeführt, beispielsweise an einen Warmwasser-Heizkreis. Beim
Dampfkraftmaschinen-Kreisprozeß, nach Abb. 2 und 4, wird die Abwärme hingegen an
das rückzuführende niedertemperierte Kondensat (Wasser bezw. Kältemittel) abgegeben
und Regenerativ der Speiseflüssigkeit (H2C, R14) zugeführt, also ebenfalls nutzbringend
abgeführt.
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Wie aus dem T,s-Diagramm, Abb. 15, hervorgeht, verläuft der Kompressionsprozeß
mit Zwischenkühlung innerhalb des Naßdampfgebietes, in der Nähe der oberen Grenzkurve,
entlang den Treppenstufen mit den Zustands. punkten 1...6 (bei vielstufiger Ausführung
bildet die Treppenstufe quasi eine Linie und laufs äquidistant zur oberen Grenzkurve).
Dadurch daß die Wärmeabgabe q01, qO2, q03 usw. im Naßdampfgebiet vorgenommen ist,
erfolgt die Nutzwärmeabgabe Isotherm, d. h. die Arbeitsflviche WVp besteht aus lauter
aufeinandergestapelten Carnot-Prozessen, die den geringst möglichen Arbeitsaufwand
erfordern. Würde man den Wärmepumpenprozeß ohne Zwischenkühlung (1-stufig) durchführen
wie meist üblich, so müßte man weit in das Uberhitzungsgebiet komprimieren (von
1 bis I) und dabei wesentlich mehr an Arbeit für den gleichen Betrag an Wärme (q
aufwenden müssen, als bei Zwischenkühlung notwendig ist. Mit Zwischenkühlung spart
man somit die Differenz der beiden Arbeitsflächen, also den Arbeitsbetrag in der
Fläche 2#6 - I - 2. Das sind, bei den angegebenen Temperaturen, etwa 35 % der Arbeitsfläche
und damit 35 % an Arbeit oder Energie gegenüber einer einstufigen Ausführung. Der
Maschinenaufwand ist insgesamt auch nicht größer als bei einer einstufigen Ausführung,
da das Kompressionsvolumen bei einer einstufigen Ausführung noch größer ist bezw.
gemacht werden müßte als das Kompressionsvolumen einer 3-stufigen Ausführung zusammengenommen.
Die mehrstufige Ausführen ist natürlich nur dort angebracht, wo hohe Wärmegefälle
überwunden werden müssen. So z. B. in kalten Jahreszeiten, wo nur niedertemperiert
Wasser (z. B. Fluß- oder Seewasser) von ca. 5°C als Wärmequelle zur Verfügung steht
und die Temperatur des Heizkreises möglichst hoch sein soll. Dieser mehrstufige
Wärmepumpenprozeß kann somit auch forteilhaft beim vorgeschlagenen Dampfkraftmaschinen-Kreisprozeß
zur Rückführung de Abwärme verwendet werden, da dabei relativ hohe Temperaturdifferenzen
(ca. 50°C...1CC°C) überwunden und große Wärmemengen übertragen werden müssen.
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Hierzu 5 Blatt Zeichnungen (Abb. 1...15).
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- L e e r s e i t e -